Description du sujet de thèse

Titre : Développement d’un banc optique représentatif du lidar Doppler MADWIL pour l’étude des vents martiens

L’atmosphère martienne est l’un des systèmes climatiques les plus « terrestres » du Système solaire. En dépit de décennies d’observations orbitales et in situ, les vents martiens n’ont été que très peu mesurés et seulement de manière ponctuelle. Pourtant, ils sont au cœur de presque tous les processus qui façonnent le climat et la surface.

La quasi-absence de mesures directes fait des vents martiens « la grande inconnue » du puzzle climatique. Cette lacune limite aujourd’hui les progrès réalisés par les modèles de climat globaux de Mars et la capacité à interpréter l’évolution passée du climat martien.

Pour lever ce verrou, l’ESA prépare la mission ZefERO, dont la charge utile préliminaire inclut un lidar Doppler nommé MADWIL (Mars Atmospheric Doppler Wind Interferometer Lidar). Il s’agit d’un instrument pionnier capable de mesurer les vents horizontaux sur l’ensemble de la colonne atmosphérique avec une résolution verticale de 1 km environ et ce à l’échelle de la planète, contribuant à une révolution comparable à celle qu’a représenté le lidar vent ADM-Aeolus pour la Terre.
La mesure s’effectue grâce à la rétrodiffusion de la poussière martienne présente partout et toute l’année sur Mars, permettant de mesurer les vents dans l’ensemble de la troposphère.
Le concept Doppler repose sur une technologie interférométrique Mach-Zehnder à quadri-détecteurs (QMZ). Cette technique est développée depuis des décennies au sein du LATMOS et constitue une des options les plus prometteuses pour mesurer les vents en orbite.

Banc optique

Avant de figer l’architecture instrumentale et de passer aux phases de réalisation, nous devons disposer d’un banc optique représentatif de MADWIL pour :
• valider les concepts optiques au cœur de la mesure Doppler,
• caractériser la réponse de l’interféromètre Quadri Mach-Zehnder (QMZ),
• évaluer la sensibilité aux faibles signaux de diffusion simulant les aérosols martiens,
• préparer les démonstrations de performance nécessaires à la sélection finale de la mission.


Objectif de la thèse

Développer un banc optique complet permettant de valider en laboratoire les performances du lidar MADWIL et de valider son architecture optique.


Programme de travail

1. Conception du banc optique (modélisation et exigences martiennes)
• Analyse des exigences scientifiques martiennes : portées, altitudes, aérosols, contraste spectral.
• Traduction de ces exigences en spécifications optiques représentatives.
• Conception du banc intégrant : laser 532 nm, optique d’émission, simulateur de diffusion martienne, fibre, QMZ et détecteurs.

2. Mise en œuvre expérimentale
• Assemblage et alignement précis de la chaîne optique.
• Mise en place d’un simulateur de rétrodiffusion martienn
• Intégration du QMZ et contrôle de stabilité thermique / mécanique.

3. Caractérisation avancée
• Mesures de finesse d’interférence, sensibilité Doppler, stabilité de phase.
• Caractérisation des performances en tentant de reproduire des conditions analogues à Mars (faible flux, bruit photonique dominant).
• Sensibilité aux désalignements.

4. Valorisation
• Présentations aux équipes CNES / ESA / industriels du consortium.
• Participation aux conférences de planétologie/instrumentation.
• Rédaction d’au moins un article scientifique sur la validation du concept MADWIL.

Compétences souhaitées
• Formation en optique, photonique, instrumentation, physique.
• Intérêt pour l’exploration planétaire et la science martienne.
• Expérience en manipulation de lasers, optique guidée, détection faible flux.
• Compétences en modélisation (Python, Matlab…).
• Rigueur expérimentale et goût pour l’instrumentation spatiale.

Contexte de travail

Environnement de thèse
Laboratoire : LATMOS (Guyancourt), équipe atmosphères planétaires et ingénierie lidar.
Collaboration étroite avec CNES, Winlight Optics, Airbus, et la communauté européenne Mars.
Intégration dans le cœur du développement technologique de la future mission ESA ZefERO.


Le poste se situe dans un secteur relevant de la protection du potentiel scientifique et technique (PPST), et nécessite donc, conformément à la réglementation, que votre arrivée soit autorisée par l'autorité compétente du MESR.

Contraintes et risques

Manipulation de laseres